实现重型柴油机低排放的喷油策略及其与后处理耦合
第31卷（2013）第5期
内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE
V ol.31（2013）No.5
收稿日期：2013-03-11；修回日期：2013-05-02．
基金项目：国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2012AA111714)；国家国际科技合作资助项目(2010DFA74530)． 作者简介：陈贵升，博士研究生，E-mail ：cgs_hllover@https://www.wendangku.net/doc/9f14547469.html, . 通信作者：郑尊清，博士，副教授，E-mail ：zhengzunqing@https://www.wendangku.net/doc/9f14547469.html,.
文章编号：1000-0909(2013)05-0400-07
31-063
实现重型柴油机低排放的喷油策略及其与后处理耦合
陈贵升1, 2，马帅营2，毛 斌2，郑尊清2，尧命发2，林铁坚3
(1. 昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650500；2. 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，
天津300072；3. 广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005)
摘要：在燃烧系统优化基础上，围绕燃油喷射参数与控制策略、EGR 等参数对共轨重型柴油机燃烧与排放特性的影响机理展开深入研究，通过喷油策略优化并与后处理系统耦合实现重型柴油机低排放．研究表明：小负荷采用单次喷射并通过降低喷油压力与推迟喷油，可获得较低的NO x 和soot 排放，有效降低压力升高率；低转速大负荷通过降低喷油压力与推迟喷油定时相结合，在实现等NO x 时能有效改善soot 和油耗率；高转速中高负荷适宜提高喷射压力，采用主喷加后喷的多次喷油策略．欧洲稳态测试循环(ESC )测试结果表明：采用串联式两级增压与中等强度EGR (低于40%)耦合，NO x 原始加权排放率降至欧Ⅴ水平；在依次加装氧化型催化器(DOC )、微粒捕集器(DPF )和选择性催化还原(SCR )后处理系统，通过喷油策略与后处理耦合，DPF 的过滤效率高达90%，SCR 转化效率达到85%，各项排放指标均满足欧Ⅵ的ESC 限值要求，尿素喷射总量降至原机(国4的SCR 机型)的1/4～1/5． 关键词：柴油机；废气再循环；燃油喷射策略；后处理系统 中图分类号：TK427 文献标志码：A
Development of a Low -Emission HD Diesel Engine with Fuel Injection Strategy Coupled with After -Treatment System
CHEN Gui-sheng 1, 2，MA Shuai-ying 2，MAO Bin 2，ZHENG Zun-qing 2，
YAO Ming-fa 2，LIN Tie-jian 3
(1. Faculty of Transportation Engineering ，Kunming University of Science and Technology ，Kunming 650500，China ；2. State Key Laboratory of Engines ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；
3. Guangxi Yuchai Machinery Company Limited ，Yulin 537005，China ) Abstract ：Based on combustion system optimization ，an experimental study on the effects of fuel injec-
tion parame te r and control strate gy ，as we ll as EGR on combustion and e mission characte ristics of a common-rail he avy-duty (HD )die se l e ngine was conducte d. Re sults show that ，at low loads ，NO x and soot emissions ，maximum rate of pressure rise (MPRR )are effectively reduced by lowering the injection pre ssure and postponing the inje ction timing with single inje ction strate gy. At low spe e d and high load conditions ，soot and BSFC are re duce d simultane ously using the same control strate gy as that at low loads. However ，higher injection pressure and post injection are required to reduce the emissions and fuel consumption at high speed and middle to high load conditions. Results of ESC show that ，NO x weighted emissions are reduced to the level of Euro V by using two-stage turbocharger (2TC )and medium EGR (＜40%)．All emissions meet the limits of Euro 6 by the combination of DOC ，DPF and SCR. The conver-sion efficiencies of DPF and SCR are 90% and 85% respectively. Meanwhile ，urea consumption is reduced by one fourth to one fifth of the original level.
Keywords ：diesel engine ；exhaust gas recirculation ；fuel injection strategy ；after-treatment system
DOI:10.16236/https://www.wendangku.net/doc/9f14547469.html,ki.nrjxb.2013.05.005
2013年9月 陈贵升等：实现重型柴油机低排放的喷油策略及其与后处理耦合 ·401·
传统柴油机属于非均质喷雾扩散燃烧，缸内当量比(Φ)和燃烧温度(T )的变化历程不可避免同时穿越
碳烟(soot )和氮氧(NO x )生成区域[1]
．围绕如何改变燃烧过程混合气Φ-T 发展历程，解决NO x 与PM 之间的trade-off 关系，近年来国内外学者深入开展了柴油机燃烧过程变革研究，出现了HCCI (homogeneous charge compression ignition )、PCCI (premixed charge compression ignition )和高比例EGR 稀释的LTC (low
temperature combustion )等新一代燃烧模式[2-7]
．尽管这些新型燃烧方式在实现高效与清洁燃烧方面表现出较大潜力，但由于受压力升高率过高、燃烧过程控制困难等因素限制，其工况范围十分狭窄，难以满足重型柴油机对高升功率密度输出的要求． 面对排放法规日益升级，欧Ⅵ或US2010法规的NO x 排放限值几乎接近零排放．在目前催化技术水平下，仅依靠DeNO x 后处理无法使NO x 达到限值要求，这使得EGR 技术成为研发满足未来超低排放法规重型柴油机不可或缺的技术手段．从燃烧历程控制角度降低柴油机排放，就需要在现代内燃机控制技术基础上，通过降低缸内燃烧温度和组织适当浓度的
混合气来同时减少NO x 和soot 生成区域[6-7]
．因此，机内与机外协调控制是开发现代高效、环境友好型柴油机的关键．
笔者在进气增压系统和燃烧室与喷油器优化基础上，重点围绕喷油参数与控制策略、EGR 等参数对共轨重型柴油机的燃烧过程、性能和排放特性的影响机理展开深入研究．目的在于通过喷油策略优化并与后处理系统耦合研发低排放重型柴油机．
1 试验装置与方法
试验发动机为一台高压共轨重型柴油机，采用
BOSCH 共轨燃油喷射系统．柴油机技术参数见表1，图1为试验台架示意，建立了一套电控高压冷却EGR 系统(HP-EGR )．柴油机soot 是通过A VL-415S 烟度计测量烟度计算得到．气体排放测量采用Horiba MEXA-7100DEGR ，EGR 率通过Horiba MEXA-7100DEGR 测量进气与排气中CO 2体积分数计算得到，即
2in
2ex
EGR CO CO (/)100%
V V η=×
(1)
试验是在进气增压系统和燃烧系统优化基础上进行的．进气增压方案为串联式两级增压(见图1)，燃烧室采用压缩比为16.8的ω缩口型燃烧室，喷油器喷孔数为8个且喷油孔带倒锥度．试验工况为ESC 测试循环的13个工况点，其中怠速为650r/min ，
A 、
B 和
C 转速分别为1330r/min 、1660r/min 和
1990r/min ．
表1 柴油机主要技术参数
Tab.1 Main parameters of the tested engine
参数名称/单位
参数值
型式 直列6缸4冲程、增压中冷
排量/L 8.42 燃烧室类型
缩口ω型
压缩比 16.8 标定功率/kW 240(2500r/min ) 最大转矩/(N ·m ) 1,280(1,200～1,800,r/min )
图1 试验台架示意
Fig.1 Schematic of experimental setup
2 试验结果及分析
2.1 实现柴油机低排放的喷油控制策略 2.1.1 小负荷的喷油控制策略
图2为1330r/min 、
25%负荷时，燃烧参数随NO x 变化规律．图3和图4分别为1330r/min 、25%
负荷，NO x 排放为0.62g/(kW ·h )时，
喷油压力与喷油策略对最大压力升高率、油耗率(BSFC )和soot 的影响．放热率重心(CA50)定义为循环累积放热量达到总放热量50%时对应的曲轴转角．
图2 NO x 排放对燃烧参数的影响
Fig.2
Effects of NO x emissions on combustion parameters
由图2可知
，随NO x 降低(EGR 率增大)，CA50
变化较小，但缸内最大压力升高率线性升高．因此，
·402· 内 燃 机 学 报 第31卷第5期
小负荷在采用高EGR 率时，压力升高率是重要控制目标之一．由图3可知，采用预喷射时，最大压力升高率和BSFC 有所减小，但soot 明显增加．即使大幅提高喷油压力，soot 也明显高于单次喷射．这主要因为预喷射缩短了主燃烧阶段的着火延迟期，预混燃烧减少．
图3 喷油压力对柴油机的影响
Fig.3 Effects of injection pressure on engine
由图4可知，在NO x 较低时(EGR 率较高)，采用预喷射会导致soot 显著上升，且较小的主-预喷射间隔对soot 影响更大(控制策略1)．对于单次喷油，由于着火滞燃期长，喷油压力对soot 影响减小(控制策略4)．相对预喷射和降低喷油压力，推迟主喷定时更能有效降低最大压力升高率．由此可见，采用控制策略5，即在单次喷射下通过降低喷油压力并推迟主喷定时，可同时降低soot 和最大压力升高率并使排气温度升高．这十分利于在获得较低soot 和NO x 原始排放的同时提高后处理系统的转化效率，实现机内与机外协同优化控制．
2.1.2 中等转速中等负荷的喷油控制策略 图5为1660r/min 、50%负荷时，不同喷油策略下
EGR 率对BSFC 和soot 影响．图6为1660r/min 、
图4
1 330 r/min 、25%负荷时喷油策略对soot 和
BSFC 影响
Fig.4 Effects of injection strategies on soot and BSFC at
1 330 r/min ，25% load
50%负荷时，喷油策略对柴油机燃烧过程影响．
由图5可知，相比单次喷射，采用预喷时，soot 随EGR 率增加明显升高．在单次喷射基础上，提高喷油压力会导致NO x 升高，但能有效降低soot ．通过主-后喷间隔和后喷油量优化，采用主喷＋后喷的喷油控制策略使NO x 较单次喷射增加，但soot 和BSFC 明显降低．分析认为，采用后喷策略，一方面后喷燃油释放的热量能提高燃烧后期缸内温度，增强soot 氧化速率；另一方面，由于主后喷间隔较小，后喷油束的喷射能量能增强缸内湍流运动和空气卷吸，促进主喷燃料扩散燃烧后期的油气混合和放热速率[8-9]
，缩短燃烧持续期，如图6所示． 图7为1660r/min 、50%负荷，NO x 排放为1.5g/ (kW ·h )时，喷油策略对soot 和BSFC 的影响．采用喷油策略5，即在提高喷油压力并推迟喷油定时基础上，采用主喷＋后喷的多次喷射策略能进一步改善
a ）BSFC
b ）soot 排放
图5 不同喷油策略下EGR 率对BSFC 和soot 影响
Fig.5Effects of EGR rate on BSFC and soot with differ -ent injection strategies
2013年9月陈贵升等：实现重型柴油机低排放的喷油策略及其与后处理耦合·403·
图6喷油策略对柴油机燃烧过程影响
Fig.6
Effects of injection strategies on engine combustion 图7 1 660 r/min、50%负荷时喷油策略对柴soot和BSFC影响Fig.7Effects of injection strategies on soot and BSFC
at 1 660 r/min，50% load
NO x-soot的trade-off关系，同时BSFC与优化前基本相当．
2.1.3低转速大负荷和全负荷的喷油控制策略
图8为1330r/min、100%负荷时，EGR率对柴油机性能和排放的影响．图9为1330r/min、100%负荷时，喷油策略对BSFC和soot的影响．
由图8可知，喷油压力从130MPa提高到160 MPa时，等EGR率时的过量空气系数几乎相当，但提高喷油压力导致NO x和soot同时升高，燃油经济性变差，其中喷油压力对soot的影响尤其明显，表现出与中等转速中等负荷相反的变化规律．分析认为提高喷油压力使喷油持续期缩短，燃油喷射更为集中．在低速全负荷时，循环燃油喷射量大且进气流速相对高转速低，导致空气利用率下降，液相燃油与空气接触时间减少，油气混合质量下降造成缸内局部高温与过浓缺氧区域同时增加．
由图9可知，喷油压力从160MPa降至130MPa，NO x-soot的trade-off关系得到显著改善，同时循环热效率提高．这主要因为：一方面降低喷油压力能改善
a）过量空气系数和NO x排放
b）BSFC和soot排放
图8喷油参数对NO x、soot和BSFC影响
Fig.8Effects of injection parameters on NO x，soot and BSFC
a）NO x-BSFC和NO x-soot之间trade-off关系
b）BSFC和soot排放
图9 1 330 r/min、100%负荷时喷油策略对soot和BSFC影响Fig.9Effects of injection strategies on soot and BSFC at 1 330 r/min，100% load
·404·内 燃 机 学 报第31卷第5期
油气混合质量；另一方面，低速全负荷时EGR循环能力较差，降低喷射压力使缸内燃烧温度下降，NO x 排放降低，实现等NO x时所需的EGR率减小，这能提高过量空气系数并缩短燃烧持续期，同时节气门开度增加能减少节流与泵气损失．在降低喷油压力基础上，采用喷油策略5，即推迟喷油可进一步改善NO x-soot的trade-off关系．在低转速75%负荷时表现出类似规律．
2.1.4高转速大负荷和全负荷的喷油控制策略
图10为1990r/min、75%负荷，NO x排放分别为2.0g/(kW·h)和3.0g/(kW·h)时，喷油压力和主喷定时对soot的影响．图11为1990r/min、75%负荷，NO x排放为1.75g/(kW·h)时，喷油策略对BSFC 和soot的影响．
图10喷油参数对soot影响
Fig.10
Effects of injection parameters on soot
图11控制策略对BSFC和soot影响
Fig.11Effects of injection strategies on soot and BSFC 由图10和图11可知，对于高转速大负荷工况，在一定主喷定时范围内，推迟喷油定时可改善NO x-soot的trade-off关系，但推迟喷油会导致BSFC和排气温度快速升高，循环热效率明显下降．此外，提高喷油压力能同时改善NO x-soot和NO x-BSFC的trade-off关系，表现出与低速全负荷完全相反的变化规律．主要原因：1)喷油压力提高使燃油雾化更好，油束的喷射动量更大，促使更多均质混合气形成；
2)高转速时燃油和空气混合时间相对中低转速缩短，
喷油压力提高缩短了喷油持续期，提高了混合速率，
减小了混合所需时间；3)相比低速，高转速工况EGR
循环能力增强，进气节流损失减少，这在一定程度上
削弱了高喷射压力因喷油集中带来的不利影响．在提高喷油压力和适当推迟喷油基础上，通过
主-后喷射间隔角度和后喷油量优化，采用主喷＋后
喷射的多次喷油策略5能进一步降低soot，改善
NO x-soot之间trade-off关系并使BSFC有一定降低．1990r/min、100%负荷表现出类似变化规律．
2.2欧Ⅵ喷油控制策略优化及其ESC测试循环
欧Ⅵ法规的PM和NO x限值分别为0.01
g/(kW·h)和0.4g/(kW·h)，相对国4限值分别降
低50%和80%，实现这一苛刻目标必须通过机内与机
外同时净化．根据目前SCR和DPF技术现状，拟设
定SCR和DPF平均转化效率约为80%和90%，则
NO x和soot原始排放需降至2.0g/(kW·h)(欧Ⅴ限值)和0.1g/(kW·h)左右．基于上述边界条件，通过
一多目标函数[10]确定优化的欧Ⅵ喷油控制参数与EGR率．
图12为欧Ⅵ优化前后ESC循环12个工况点(除怠速)的喷油控制策略对比．图13为优化前后
ESC循环12个工况点(除怠速)EGR率和优化后排
气温度与原机排气温度对比．表2为优化前后ESC
测试结果对比．
图12欧Ⅵ优化前后喷油控制策略
Fig.12Non-optimized and optimized fuel injection strate-
gies for EURO Ⅵ
表2优化前后ESC测试循环结果对比
Tab.2Comparison between the results of ESC for non-
optimized and optimized injection strategies
压缩比为17.5 燃烧室压缩比为16.8
排放指标/
(g·(kW·h)-1)原机优化前优化后优化率/% HC 0.157
0.149
0.154－3.36
CO 0.208
0.787
0.69012.33
NO x 11.672 2.363
2.09311.43
soot 0.0015 0.0295 0.0167 43.39加权油耗率 208.81 218.13 221.16－1.39
2013年9月陈贵升等：实现重型柴油机低排放的喷油策略及其与后处理耦合·405·从图12可知，优化后各个工况点取消了预喷
射．优化后所有工况点的主喷定时较优化前有不同
程度推迟．高转速工况采用提高喷油压力，低转速工
况点采用降低喷油压力．为降低微粒排放，部分工况
点采用主喷＋后喷射的多次喷射控制策略．
从图13可知，优化前后EGR率变化较小，最高
EGR率不超过40%．由表2可知，通过喷油参数优
化，NO x和soot加权排放分别降至2.093g/(kW·h)
(欧Ⅴ水平)和0.0167g/(kW·h)，相对优化前降低
幅度分别高达12.8%和36.3%．加权BSFC虽然有所
升高，但其值只有222g/(kW·h)左右，仍保持较好
经济性．ESC循环工况点的排气温度和原机(SCR机
型)基本相当，这表明在将NO x降至欧Ⅴ水平时排气
温度仍处于SCR高效率对应温度区间，这十分利于
通过机外净化进一步控制NO x排放．
图13优化前后EGR率和排气温度
Fig.13Optimized EGR rate and its corresponding ex-
haust temperature
2.3喷油控制策略与DePM和DeNO x后处理耦合
的排放试验
在喷油策略优化基础上，进行了SCR尿素喷射
量的标定，并在中国汽车技术研究中心进行了欧Ⅵ的
ESC排放测试．为考察试验的一致性，进行了2组加
装后处理的重复试验．图14为DOC、DPF和
SCR
安装示意．
图15为ESC测试循环时，后处理对soot的影响.图16为ESC测试循环时，SCR后处理器对NO x
排放的影响．表3是欧Ⅵ的ESC测试循环
加权
BSFC和排放测试结果．
图14后处理系统安装示意Fig.14 Schematic of after-
treatment system setup
图15后处理器对柴油机soot的影响
Fig.15 Effects of after-
treatment system on soot
a）SCR对NO x转化效率
b）SCR转化前后NO x排放对比
图16SCR对柴油机NO x排放的影响
Fig.16Effects of after-treatment system on NO x emissions 由图15可知，在加装DOC和DPF后，柴油机ESC循环所有工况的soot几乎接近零．由图16可知，尿素/NO x当量比在大多数工况点都控制在1.1及其以下．对于A25、B25和C25，SCR的转化效率偏低，因此采用1.2∶1的尿素/NO x当量比．NO x排放在经SCR转化后都明显降低，大多数工况点都在欧Ⅵ限值以内．在2次重复测试中，经SCR转化后的NO x最终排放在大多数工况几乎相当，这表明试验的一致性和稳定性较好．
·406· 内 燃 机 学 报 第31卷第5期
表3 欧Ⅵ-ESC 测试结果
Tab.3 Results of ESC for EURO Ⅵ
DOC ＋DPF ＋SCR
排放指标/ (g ·(kW ·h )-1
) 去后
处理
第1组 测试
第2组 测试
第1组 效率/%
第2组效率/%
HC 0.0882 0.0260 0.0024 70.52 97.28 CO 0.5089 0.0074 0.0001 98.55 99.98 NO x 2.0312 0.2768 0.3073 86.37 84.87 PM 0.0618 0.0061 0.0065 90.13 89.48 soot 0.0201 0.0002 0.0002 99.00 99.00 加权油耗率 218.3 222.7 221.8 －2.02
－1.60
柴油机采用两级增压和中等强度EGR (低于
40%，见图14)并结合缸内燃烧优化技术，在最高燃油喷射压力为180MPa 情况下(国外采用200MPa 以上)，原始排放处于较低水平，NO x 排放为2.03g/(kW ·h )，PM 排放为0.0618g/(kW ·h )，加权BSFC 仍处于较好水平．在依次加装DOC 、DPF 和SCR 后处理器后，通过喷油控制策略与后处理耦合，DPF 的过滤效率达到90%，SCR 转化效率达到85%，CO 和HC 加权排放几乎接近零水平．ESC 测试循环的各项排放指标均满足欧Ⅵ法规限值要求，而尿素喷射总量降至原机(SCR 机型)的1/4～1/5，这在一定程度上弥补了BSFC 升高导致的经济性下降．
3 结 论
(1) 中小负荷时，预喷射导致高EGR 率时soot 急剧升高；大负荷时，预喷射对soot 的影响减弱；经主-后喷间隔角度和后喷油量优化，部分工况采用主喷＋后喷的多次喷射策略能明显降低soot 并提高循环热效率．
(2) 小负荷工况通过单次喷射、降低喷油压力和推迟喷油正时耦合控制可同时获得较低的NO x 和soot 排放，并有效降低最大压力升高率；低转速大负荷和全负荷时，通过降低喷油压力与推迟喷油定时相结合，在实现等NO x 排放水平下显著降低soot ；中等转速中等负荷和高转速中高负荷适宜提高喷射压力，采用主喷＋后喷的多次喷射策略．
(3) 采用两级增压和中等强度EGR (低于40%)，将NO x 原始加权排放控制在欧Ⅴ水平，通过缸内燃
烧系统和喷油策略优化，柴油机PM 加权值和加权BSFC 仍处于较好水平；在依次加装DOC 、DPF 和SCR 后处理系统，通过喷油控制策略与后处理系统耦合，DPF 的过滤效率高达90%，SCR 转化效率达到85%，ESC 测试循环的各项排放指标均满足欧Ⅵ限值要求，而尿素喷射总量降至原机(SCR 机型)的1/4～1/5． 参考文献：
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